51单片机PID液位控制系统设计 程序PCB和实训报告论文都有

用51单片机做的PID液位控制系统 程序PCB和设计实训报告一应俱全.



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以下是单片机pid液位控制系统设计的论文预览：

桂林电子科技大学信息科技学院

《自动化仪表与过程控制》实训报告

班级：自动化一班      

学号：     00000000000000   

                    姓  名：00

指导教师：xxx

               2015 年 6 月 15 日

            实训题目：液位控制系统

1  系统设计

1.1 设计要求

1.1.1 基本原理

     水箱为双容水箱，仅使用一个作为被控对象，即单容液位控制（将水箱设为自衡系统），水箱采用水泵进行给水，水泵为12V直流电机控制，可采用PWM方式。液位传感器为压力式，输出为电压信号。设计调节器（模拟或数字式），能够根据用户设定，将水位控制在要求值（采用PID或PI规律）。

1.1.2 性能指标要求

1、设计制作硬件系统电路，标记姓名学号及制作日期；

2、实现水泵的控制、信号检测（显示）及调节器控制规律；

3、系统能够尽快的克服扰动；

1.1.3 设计方法与步骤

1、根据设计基本原理和性能指标要求选择总体方案，画出设计框图；

2、参阅相关资料，根据设计框图进行电路的设计；

3、列出元件清单；

4、画原理图，布PCB图，并制作电路板；

5、根据器件由小到大的顺序安装电路，并进行自检测试；      

6、数学建模、设计合适的控制参数；

7、调试所制作的电路；

1.2 设计思路及设计框图

1.2.1设计思路

    调节器和PWM信号产生用51单片机执行，单片机与驱动模块之间使用光电耦合器进行隔离。液位变送器根据水压不同输出模拟电流信号（0-20mA），然后经250欧电阻转成0-5V的电压信号经过ADC0809芯片转换成数字信号，再把数字信号传给单片机的P1口，用单片机进行数据处理。用两位数码管显示AD值（调试用的），经多次测量AD值所对应的液位高度，记下多组数据，再用MATLAB，Polyfit(x,y,n)

函数，拟合曲线，得到线性关系，然后再把之前显示AD值的两位数码管用来显示拟合出来的AD值所对应的液位。另外两位数码管则用来显示设定液位的高度。

水泵的驱动用达林顿三级管驱动，可以通过单片机模拟出来的PWM控制水泵的转速。

1.2.2总体设计框图

2 各个模块的程序的设计

1、PID算法控制：

#include"PID.H"

/*PID参数初始化*/

voidIncPIDInit(void)

{

       //sptr->SumError = 0;

       sptr->LastError = 0; //Error[-1]

       sptr->PrevError = 0; //Error[-2]

       sptr->Proportion = 100; //比例常数Proportional Const

       sptr->Integral = 1;//积分常数Integral Const

       sptr->Derivative = 1; //微分常数Derivative Const

      

}

/*增量式 PID 计算部分*/

intIncPIDCalc(int NextPoint)

{

       register int iError,iIncpid; //当前误差

       iError = sptr->SetPoint - NextPoint;//增量计算

       iIncpid = sptr->Proportion *iError//E[k]项

       -sptr->Integral*sptr->LastError//E[k－1]项

       + sptr->Derivative *sptr->PrevError; //E[k－2]项

       //存储误差，用于下次计算

       sptr->PrevError = sptr->LastError;

       sptr->LastError = iError;

       //返回增量值

       return(iIncpid);

}

2、ADC0809模数转换：

voidInitAdc(void)  //ADC初始化

{

       ST=0;

       OE=0;

       ST=1;

       ST=0;

}

voidAdcObtainData(void) //ADC或出数据

{

       while(EOC==0);

       OE=1;

       getdata=P1;

       YEWEI=5*(getdata-50);

       SHI=YEWEI>>4;

       GE=YEWEI&0X0F;            

       OE=0;

      DelayMs(200);                    //延时防止采集频率过快

}

3、数码管显示模块：

voidTimer1Interrupt(void) interrupt 3

{

    TH1 = 0x0EC;

    TL1 = 0x78;

       switch(c)

       {

              case0:P2=0X8f;P0=dofly_DuanMa[0];break;//显示2位液位值break;

             case1:P2=0X4f;P0=dofly_DuanMa[YEWEI/100];break;

              case2:P2=0X2f;P0=dofly_DuanMa[YEWEI%100/10];break;//显示2位数液位break;

             case3:P2=0X1f;P0=dofly_DuanMa[YEWEI%10];break;

      }

       c++;

       if(c==4){c=0;}

       d++;

       if(d==400){d=0;}

}

4、按键控制模块：

voidSheZhi(void)//按键设置液位高度

{

       if(KeyPlus==0)        //液位增加按键

       {

              DelayMs(100);//防止按键抖动

              while(!KeyPlus);

              KZ++;     

       }

       if(KeyMinus==0)     //液位降低按键

       {

              DelayMs(100);//防止按键抖动

              while(!KeyMinus);

              KZ--;

       }            

}

5、PWM电机控制模块：

voidjishi(void) interrupt 1 using 1   //定时器中断0输出PWM

{

    TH0 = (65536-50)/256;       //求模     0.05ms

    TL0 = (65536-50)%256;            //求余

       /*用来电机调速*/  

       speed_L++;

       if(speed_L < PWM_L)                //调速给出高电平占空比

       {

              ENA= 0;      

       }

       else if(speed_L > PWM_L)   //调速给出低电平占空比

       {     

              ENA= 1;              

       }

       if(speed_L == 256)           //1S周期至256时清零

    {

              speed_L= 0;

              ENA= 0;      

       }

       CLK=~CLK;

}

3 制作与调试过程

   ①制作：本次实训在制作电路板的过程中，根据所查找的资料提供的原理图进行修改，从原理图中减去了很多的元件。然后用AD软件画出原理图，接着转为PCB，手动布线，并将PCB转印在板子上，腐蚀、打孔后，完成实训电路板。

     ②调试：当电路板制作完成后，需要调试电路板能否完成实训要求的功能，在调试的过程中我发现了数码管是共阳的，随后在P2口焊上1K上拉电阻，本次实训没有用到三极管导致数码管不够亮，但是并不影响参数整定，而且晶振也换为12兆。

4功能测试

4.1测试仪器和设备

万用表、传感器设备、双容水箱

4.2性能指标测试

①实现液位标定（误差%5）

②完成参数的整定

5.硬件工作模块

51最小系统
  最小系统是指是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统，它包括单片机、复位电路和时钟电路。
  复位电路：单片机第9脚为复位信号引脚（RST），复位信号高电平有效，但高电平维持时间必须维持在24个振荡周期以上才能完成复位。系统使用12MHZ晶振则复位需要两个机器周期。通电瞬间RC电路充电，RST引脚得到了一定脉宽的信号，只要信号脉宽维持在复位允许时间，单片机即可复位。
  起振电路：在外部连接晶振和起振电容便可构成内部振荡电路，产生振荡时钟脉冲。
  单片机：AT89S52，它是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K系统可编程Flash储存器。
  

A/D转换
  ADC0809是一款8通道复用的8位AD转换器，数据获取的关键部分是它的八位8位模/数转换器。这个部分由三部分组成：266R的阶梯网络，连接逼近的电阻和比较器。ADC0809为8路模拟信号的份上采集转换器。片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道抵制锁存用译码电路，其转换时间为100US左右。
  

电机模块
   

• 原理图：
  

• PCB图：
  

5.实训心得

    经过本次实训，让我对过程控制这一门课有了更深刻的了解。特别是双位控制和PID控制，不仅对理论有了跟深刻的了解，还对它们实际应用有了一定的认识。这次实训首先设计原理图和布局PCB，然后做板子。在设计原理图的时候没有注意到数码管是共阳的，也没加三极管，导致数码管很暗，后来在接数码管位选的IO口上接了一个1K的上拉电阻，有效的解决了这个问题。其中本次实训的关键在于调试，这也是最难，它不仅考验了知识，还考验了耐心。调试主要包括了测量参数，利用参数经数学计算工具拟合出曲线，还有就是不断的修改程序，首先就是调节P值，不让I作用，让水位能在设定值的附近比较稳定的上下波动，出现等幅振荡最好。最后加入I调节，调整I参数，是系统跟加好的稳定。不过本次实训中我只调了P，因为调了P水位也能比较稳定的在设定值的附近微小的波动。

附录1：原件清单

51单片机

ADC0809 数码管

达林顿三极管

四个独石电容

两个瓷片电容

多个电阻 RS232串口芯片

DB9

1K上拉电阻

若干插针

接线柱

12M晶振 三个按键  

一个极性电容

光耦

下载接口

附录2：程序清单

1. #include <reg51.h>
   
2. #define uchar unsigned char
   
3. #define uint unsigned int
   
4. uint c=0; //获取液位AD值，
   
5. unsigned char code dofly_DuanMa[16]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,
   
6.                                                                         0x90,0X88,0X83,0Xc6,0Xa1,0X86,0X8e};// 显示段码值0~9
   
7. /*ADC0809*/
   
8. sbit EOC=P3^2; //转换结束信号
   
9. sbit OE=P3^3;  //允许输出信号
   
10. sbit ST=P3^4;  //转换启动信号
    
11. sbit CLK=P3^5; //时钟
    
12. /*按键*/
    
13. sbit KeyPlus=P2^0;//按键加
    
14. sbit KeyMinus=P2^1;//按键减
    
15. /*驱动*/
    
16. sbit ENA=P3^6;//进出水控制
    
17. double KZ=100;
    
18. double YEWEI; //获取液位AD对应液位值，
    
19. uint rout; // PID Response (Output)
    
20. uint getdata;
    
21. 
    
22. uint PWM_L;
    
23. uint speed_L = 0;
    
24. 
    
25. 
    
26. void DelayUs2x(unsigned char t)
    
27. {   
    
28.          while(--t);
    
29. }
    
30. 
    
31. void DelayMs(unsigned char t)
    
32. {
    
33.      while(t--)
    
34.          {
    
35.              //大致延时1mS
    
36.              DelayUs2x(245);
    
37.                  DelayUs2x(245);
    
38.          }
    
39. }
    
40. 
    
41. void InitTimer0(void)
    
42. {
    
43.     TMOD = 0x11;
    
44.         TH0 = (65536-500)/256;           //求模        0.5ms
    
45.     TL0 = (65536-500)%256;           //求余
    
46.         TH1 = 0x0EC;
    
47.          TL1 = 0x78;
    
48.         EA = 1;
    
49.     ET0 = 1;
    
50.     TR0 = 1;
    
51.         ET1 = 1;
    
52.         TR1 = 1;
    
53. }
    
54. 
    
55. void InitAdc(void)         //ADC初始化
    
56. {
    
57.         ST=0;
    
58.         OE=0;
    
59.         ST=1;
    
60.         ST=0;
    
61. }
    
62. 
    
63. void AdcObtainData(void) //ADC或出数据
    
64. {
    
65.         while(EOC==0);
    
66.         OE=1;
    
67.         getdata=P1;
    
68.         if(getdata<53)
    
69.         {
    
70.                 getdata=53;               
    
71.         }
    
72.         YEWEI=(double)5*((double)(getdata)-53);//AD值是70就对应100mm的液位高度               
    
73.         OE=0;
    
74.          DelayMs(200);                    //延时防止采集频率过快
    
75. }
    
76. 
    
77. typedef struct PID
    
78. {   
    
79.         int SetPoint;//设定目标Desired Value
    
80.         //long SumError; //误差累计
    
81.         double Proportion; //比例常数Proportional Const
    
82.         double Integral; //积分常数Integral Const
    
83.         double Derivative; //微分常数Derivative Const
    
84.         int LastError; //Error[-1]
    
85.         int PrevError; //Error[-2]
    
86. }
    
87. PID;
    
88. static PID sPID;
    
89. static PID *sptr = &sPID;
    
90. /*PID参数初始化*/
    
91. void IncPIDInit(void)
    
92. {
    
93.         //sptr->SumError = 0;
    
94.         sptr->LastError = 0; //Error[-1]
    
95.         sptr->PrevError = 0; //Error[-2]
    
96.         sptr->Proportion = 5; //比例常数Proportional Const
    
97.         sptr->Integral = 0;//积分常数Integral Const
    
98.         sptr->Derivative = 0; //微分常数Derivative Const
    
99.         
    
100. }
     
101. 
     
102. /*增量式 PID 计算部分*/
     
103. int IncPIDCalc(int NextPoint)
     
104. {
     
105.         register int iError,iIncpid; //当前误差
     
106.         iError = sptr->SetPoint - NextPoint;//增量计算
     
107.         iIncpid = sptr->Proportion * iError//E[k]项
     
108.         - sptr->Integral*sptr->LastError//E[k－1]项
     
109.         + sptr->Derivative * sptr->PrevError; //E[k－2]项
     
110.         //存储误差，用于下次计算
     
111.         sptr->PrevError = sptr->LastError;
     
112.         sptr->LastError = iError;
     
113.         //返回增量值
     
114.         return(iIncpid);
     
115. }
     
116. 
     
117. void SheZhi(void)//按键设置液位高度
     
118. {
     
119.         if(KeyPlus==0)          //液位增加按键
     
120.         {
     
121.                 DelayMs(100); //防止按键抖动
     
122.                 while(!KeyPlus);
     
123.                 KZ=KZ+10;        
     
124.         }
     
125.         if(KeyMinus==0)          //液位降低按键
     
126.         {
     
127.                 DelayMs(100); //防止按键抖动
     
128.                 while(!KeyMinus);
     
129.                 KZ=KZ-10;
     
130.         }               
     
131. }
     
132. 
     
133. void Control(void) //液位控制
     
134. {
     
135.         InitAdc();
     
136.         AdcObtainData();
     
137.         if(KZ>YEWEI)
     
138.         {
     
139.                 if(KZ-YEWEI>50)
     
140.                 {
     
141.                         PWM_L=250;
     
142.                 }
     
143.                 else
     
144.                 {
     
145.                         rout=IncPIDCalc(YEWEI);
     
146.                         PWM_L=(uchar)(rout);
     
147.                         if(PWM_L>80)
     
148.                         PWM_L=80;
     
149.                 }
     
150.         }                        
     
151. }
     
152. 
     
153. void main(void)
     
154. {
     
155.     InitTimer0();
     
156.         IncPIDInit(); //初始化PID
     
157.         while(1)
     
158.         {
     
159.                 sptr->SetPoint = KZ ;
     
160.                 SheZhi(); //调用设置函数
     
161.                 Control();//调用控制函
     
162.         }
     
163. }
     
164. 
     
165. void jishi(void) interrupt 1 using 1   //定时器中断0输出PWM
     
166. {
     
167.     TH0 = (65536-500)/256;           //求模        0.5ms
     
168.     TL0 = (65536-500)%256;           //求余
     
169.         /*用来水泵调速*/        
     
170.         speed_L++;
     
171.         if(speed_L < PWM_L)                 //左轮PWM调速给出高电平占空比
     
172.         {
     
173.                 ENA = 0;        
     
174.         }
     
175.         else if(speed_L > PWM_L)   //左轮PWM调速给出低电平占空比
     
176.         {        
     
177.                 ENA = 1;               
     
178.         }
     
179.         if(speed_L == 300)                   //周期至300时清零
     
180.     {
     
181.                 speed_L = 0;
     
182.                 ENA = 0;        
     
183.         }
     
184.         /*ADC时钟*/
     
185.         CLK=~CLK;
     
186. }
     
187. 
     
188. void Timer1Interrupt(void) interrupt 3
     
189. {
     
190.     TH1 = 0x0ec;
     
191.     TL1 = 0x78;
     
192.         switch(c)
     
193.         {
     
194.                 case 0:P2=0X8f;P0=dofly_DuanMa[((uint)YEWEI)/16];break;//显示2位当前液位值break;
     
195.                   case 1:P2=0X4f;P0=dofly_DuanMa[((uint)YEWEI)%16];break;
     
196.                 case 2:P2=0X2f;P0=dofly_DuanMa[(uint)KZ/16];break;//显示设定液位值break;
     
197.                   case 3:P2=0X1f;P0=dofly_DuanMa[(uint)KZ%16];break;
     
198.          }
     
199.         c++;
     
200.         if(c==4){c=0;}
     
201. }
     

复制代码

在么  
如果把输出量改为控制电机的正反转  当液位高于设定值是电动机正转 当液位低于设定值时电动机反转   这个程序要怎么弄啊

能给我一个你的联系方式么

感谢楼主贡献资源

怎样实现温度和液位一起控制啊？

怎么在里面填加多个传感器实现PID控制

没有protues原理图？

感谢楼主你的分享

感谢楼主。。。。

谢谢，支持一下

感谢分享，多多支持

非常感谢，支持一下

如果用PIC该怎么控制？

zzzzk 发表于 2017-3-19 23:14
没有protues原理图？

有没有proteus？

这个如何利用电机的正反转作为输出？

能简单解释一下整个电路的工作原理吗？

感谢楼主

非常感谢

浪费黑币，谨慎下载

能有温度控制就好了